□李青青

長期以來，為了防止水土流失，提高土壤生產力和保持土壤結構，在小流域實施了等高挖、機械鋤草、人工耕作等措施，從而達到了防治水土流失、提高土壤生產力、保持土壤結構的目的。但是，富營養(yǎng)化已經成為危害地表水質最嚴重的問題，農業(yè)非點源污染是其最主要的源頭，非點源污染主要指污染物在較大范圍內以分散和微量的形式進入到收納水體中。其中，氮和磷是最主要的溶質因子。為了更加準確地治理農業(yè)非點源污染，國內外學者已經相繼開發(fā)出了早期的經驗模型(如降雨量STOM)到現在的具有一定物理意義流域尺度的模型(如降雨量HSPF)。Wallach降雨量等將溶質的擴散理論模型用于模擬地表徑流中污染物流失的過程，降雨強度直接影響雨量以及下滲深度。當前人類活動范圍不斷擴大，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，導致部分地區(qū)難以預測降雨規(guī)律，強降雨不僅加大了小流域地表水土保持工程的施工難度，而且使已完成的工程受到破壞，使施工地的降雨量和產沙量增加，抑制水土保持工程的減流效果和減沙效果。

因此，相關學者對此展開了深入的研究。利用遙感技術收集黃土地區(qū)65個小流域的水土保持工程資料，驗證了降雨強度對小流域地表具有侵蝕作用，且隨降雨強度的增大，地表溶質流失越多，土壤結構受破壞程度越重，但實驗中未考慮其它變量的影響，導致結果精度不高。利用氮原子標記法來計算地表土壤中的氮素元素，實驗結果表明，小流域水土保持工程與降雨強度呈正相關關系，但未考慮其他溶質對試驗結果的影響，且試驗結果的可靠性較低。通過建立分布式HEC-HMS水文模型進行模擬試驗，結果表明：降雨強度越大，施工地的降雨量越大，產沙量越大，但由于模型計算效果復雜，導致數據生成效率降低。上述方法都不能很好地滿足強降雨對小流域地表水土的完好保持狀態(tài)。

針對上述研究方法的弊端，此文以江西省某地某一小流域水土保持工程為背景，進行了深入降雨強度對小流域地表水土保持工程的影響建模分析，并結合模擬實驗得出準確的實驗結論。

1 .材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省某一山區(qū)，該小流域地處丘陵地勢，最低海拔為3.0m，最高海拔為46m，最大地下水埋深度約為4.0cm，小流域的主要水資源來源于雨、雪、冰雹等自然降水，且自然降水頻繁，年平均降水量約為1800mm，年均地表蒸發(fā)量約為780mm。試驗區(qū)面積約為40km2，部分試驗區(qū)域存在一定坡度，坡度區(qū)的平均坡度約為10°，地表土壤的孔隙度為0.45，地表有機溶質含量為0.42%。

試驗土樣來源于試驗區(qū)坡度地區(qū)0～10cm的表層土，土體的孔隙度相對較低，以塿土為主要成分，呈現出灰棕色，包含石頭和小顆粒固體結構。土壤含水率由FDR自動記錄儀記錄，由電腦讀取;降雨資料則由翻斗式雨量計自動采集;人工現場收集土樣與水樣。常規(guī)采樣為每4d觀測一次試驗區(qū)的地表土樣與地下水樣。在6—8月雨季期間的降雨事件過程中，降雨前后以及降雨過程中采樣，其中包括降雨過程中的地表土樣與地表水樣，并人工記錄累計地表徑流深度。降雨結束后，將所采集的樣品帶回實驗室，采用多參數水質監(jiān)測儀測定總氮(TN)等化學指標。地表土壤的凈容重約為1.30g/kg，地表含水率約為10%，樣本采集后，采用5mm孔徑的篩網進行過濾，去除圖樣中的大顆粒固體和植物殘渣，經過初步實驗分析可知，該地表土樣中的碳含量約為7.2g/kg，氮含量約為0.95g/kg，有機溶質含量為5～14g/kg。

1.2 研究方法

在設置的小流域地表水土保持工程實驗室中，采用人工降雨法進行試驗研究，實驗室模擬小流域生態(tài)環(huán)境，采用側噴式降雨機，降雨均勻，降雨強度易于控制。本試驗所采用的雨強分為60mm/h、90mm/h、120mm/h共3個等級，試驗土槽規(guī)格為2.0m×1.0m×0.5m，土槽的坡度分別為5°和15°，為保證試驗土槽的侵蝕程度處于穩(wěn)定狀態(tài)，預設人工降雨時間為2h。

土槽填土采用分層充填法，將收集的土樣平均分成8份進行充填，填土應盡量保持水平充填，充填完畢后調整地表水平度，將土坡調整到相應的實驗坡度，然后在試驗土槽內完成等高掏挖、機械鋤耕、人工耕作等常見的地表水土保持工程應用措施。在地表水土保持工程實施前，采用60mm/h的人工降水，在30min內進行地表預雨，達到了穩(wěn)定地表結構的目的。穩(wěn)定地面后，將試驗土槽靜置，一般靜置時間不得少于24h，待地表結構恢復后，再作降雨試驗。此文所設計的試驗中，針對每一項地表水土保持工程措施，均以坡度相同的平面坡面作為對照組。

降水試驗正式開始后，選擇降雨量和產沙量作為評價指標，記錄土槽底部產生徑流的時間，每隔2min進行一次連續(xù)的泥沙采樣，在降雨結束后，用電子稱重法測量整體降雨量，針對產沙量，用干燥法除去沙子中水分，再用電子稱重法測量。

1.3 數據分析

考慮小流域地表水土保持工程的影響因素種類多，為避免其他因素對本文研究結果造成影響，文中采用Hydrus-1D模型框架構建降雨強度對小流域地表水土保持工程的影響模型，準確模擬小流域地表水土保持工程中各種溶質的運移情況，并且將飽和水力傳導度是土壤表層累計通量反演的結果(F=P－R，F為累計通過地表的通量，P為翻斗式雨量計記錄的降雨，R為野外觀測的累計地表徑流)。同時考慮水土保持過程中水分運動、熱運動以及植物根系吸收的影響，以保證后期數據分析的準確性。

1.3.1Hydrus-1D模型的建立

Hydrus-1D模型主要用于模擬一維尺度水、熱及各種溶質的運移，該模型綜合考慮了水分運動、熱運動、溶質運移和作物根系吸收，適用于恒定或非恒定的邊界條件，具有靈活的輸入輸出功能，并且提供了大量的參數數據庫作為模型輸入的參考。基于Hydrus-1D模型的地表運移方程包含地表水分運動方程和地表溶質運移方程兩個基本方程。其中，地表水分運動方程的表達式如下：

式中：

θ—地表的含水率；

K—地表水的傳導率；

t—運動時間；

x、y—地理坐標；

A—運動水流與水平線之間的夾角。

地表溶質運移計算采用擴散方程進行描述，具體表達式如下：

式中：

c—地表中溶質的濃度；

s—地表的線性吸附能力，反應了地表對溶質的吸附量；

ρ—地表土壤的凈容重；

q—地表垂向溶質擴散量；

D（θ，q）—綜合擴散系數，綜合反應中地表中溶質的機械擴散機制。

參考上述基本方程確定模型參數，以以往流域地表水土保持工程的觀測數據為基礎，應用Hydrus-1D模型反演出地表水的傳導率K、地表水的擴散系數Q1、地表殘留水含量D1以及地表飽和水含量D2等主要模型參數。各個參數的初始值和率定值的設置如下表1所示。

表1 Hydrus-1D模型參數的初始值和率定值

確定模型參數的初始值和率定值后，針對模型的可靠的進行檢驗，檢驗結果表明，模型的計算結果與實際采集數值的相關性接近于1，表明該模型具有較為準確的計算效果，可以很好地反應地表的水運動過程。

1.3.2 數據分析

在以上模型構建的基礎上，采用的研 究 方 法 包 含60mm/h、90mm/h、120mm/h3個等級的降雨強度和5°、15°兩個試驗坡度，針對等高掏挖、機械鋤耕和人工耕作等3個水土保持工程應用措施設計6組人工降雨實驗，平均降雨量以及平均產沙量的計算方式如下：

不同降雨強度下，各小流域地表水土保持工程應用措施的平均降雨量計算公式如下公式所示：

式中：

N—數據采集數量；

RY—某一時刻的瞬時降雨量。

不同降雨強度下，各小流域地表水土保持工程應用措施的平均降雨量計算公式如下公式所示：

式中：

SY—某一時刻的瞬時產沙量。

不同降雨強度下，各小流域地表水土保持工程應用措施的減流效益計算公式如下公式所示：

式中：

ER—減流效益；

RY0—平整地表水土保持工程施工坡地的總降雨量；

RYi—實驗地表水土保持工程施工坡地的總降雨量。

不同降雨強度下，各小流域地表水土保持工程應用措施的減沙效益計算公式如下公式所示：

式中：

ES—減沙效益；

SY0—平整地表水土保持工程施工坡地的總產沙量。

綜合反映了土壤水中有效分子擴散和機械彌散機制。

在次降雨過程中，忽略源匯項以及化學反應。上述方程的上邊界條件中，降雨與地表徑流屬于第四類邊界條件，下邊界條件為剖面1m處的自由排水。由此可見，作為表層土壤中的溶質最為活躍，對于非點源污染顯得尤為重要。當降雨強度為由0.03cm/min增至0.05cm/min時，雨強變?yōu)樵鹊?.6倍。

2 .結果與分析

2.1 降雨強度對小流域地表水土保持工程平均降雨量和平均產沙量的影響

不同降雨強度下，各小流域地表水土保持工程施工坡地平均降雨量變化如下圖1所示。

圖1 不同地表水土保持工程措施下降雨量隨降雨強度的變化

從上圖可以看出，當降雨強度由60mm/h增加到90mm/h時，等高掏挖、機械鋤耕水土保持工程施工坡地平均降雨量分別提升了110%、53%和137%倍；當降雨強度由90mm/h增加到120mm/h時，等高掏挖、機械鋤耕和人工耕作坡地平均降雨量分別提升了70%、80%和98%。由此可以得出結論，隨著降雨強度的逐漸增大，等高掏挖、機械鋤耕和人工耕作水土保持工程施工坡地平均降雨量也逐漸上升，其中人工耕作的提升相對較大，機械鋤耕提升幅度較小，且針對同一水土保持公共應用措施，不同降雨程度造成的降雨量差異明顯。與平整水土保持工程施工坡地相比，機械鋤耕、等高掏挖和人工耕作水土保持工程施工坡地平均降雨量降低，說明人工耕作、等高掏挖和機械鋤耕措施等措施能夠有效降低坡處的降雨量。見圖2。

圖2 不同地表水土保持工程措施下產沙量隨降雨強度的變化

根據圖2分析水土保持工程坡地的產沙量可知，隨著降雨強度的逐漸增大，地表水土保持工程坡地的平均產沙量也隨之提升，但在不同降雨強度下，坡地的平均產沙的增長幅度各不相同。其中相較于等高掏挖、機械鋤耕，人工耕作的變化趨勢相比較穩(wěn)定，無急劇增幅現象，且在3個不同降雨強度下的平均產沙量與平整坡面產沙量相比提升幅度明顯，并且當由60mm/h的降雨強度增大到90mm/h的降雨強度，再由90mm/h增大到120mm/h時，水土保持工程施工坡地其平均產沙量分別提升了70%和90%。

由分析可知，在降雨強度達到90mm/h時，各地表水土保持工程施工坡地平均產沙量無明顯變化，但降雨強度增加到120mm/h時，各地表水土保持工程施工坡地下的平均產沙量增加幅度較大，相比較在90mm/h的降雨強度時，等高掏挖、機械鋤耕和人工耕作坡地在120mm/h的降雨強度下，平均產沙量分別提升了52%、74%和92%。此外，在地表水土保持工程施工坡地的坡度較大時，地表水土保持工程施工坡地的平均產沙量與平整坡地的產沙量相差十分明顯，即地表水土保持工程施工坡地的平均產沙量較高，且坡度越大，產沙量越大。

2.2 降雨強度對小流域地表水土保持工程坡面減流效益及減沙效益的影響

不同降雨強度下，地表水土保持工程措施的減流效益變化如下圖3所示。

由圖3可知出，在60mm/h、90mm/h、120mm/h3個等級的降雨強度下，相較平整水土保持工程施工坡地，隨著降雨強度的提升，人工耕作的減流效益呈現出負相關變化趨勢，但整體減流效益良好，平均減流量為15%，減流效果穩(wěn)定。而隨著降雨強度的提升，等高掏挖和機械鋤耕的減流效益隨降雨強度的變化呈現出不規(guī)則變化特征，當從60mm/h的降雨強度增加到90mm/h的降雨強度時，減流效益隨降雨強度的提升而下降，隨著降雨強度的持續(xù)增加，減流效益隨降雨強度的提升而上升，當從整體上看，等高耕作減流效益最好，能夠有效保證水土結構穩(wěn)定。

圖3 不同降雨強度下地表水土保持工程措施的減流效益

不同降雨強度下，地表水土保持工程措施的減沙效益變化如下圖4所示。

由圖4可知，小流域地表水土保持

圖4 不同降雨強度下地表水土保持工程措施的減沙效益

工程施工坡地的坡度為5°時，相較平 整 坡 地，在60mm/h、90mm/h及120mm/h3個不同等級的降雨強度影響下下，等高掏挖和人工耕作的減沙效益表現出明顯的特征，且兩個水土保持工程應用措施的減沙效益平均為25%，但隨著降雨強度的變化，兩個措施的減沙量呈現出不同規(guī)律的變化。首先，隨著降雨強度等級的升高，高掏挖坡和人工耕作的減沙量出現高幅度的上升趨勢，相較于這兩個水土保持工程應用措施，而機械鋤耕坡的減沙效益幾乎沒有明顯變化，在降雨強度的增加過程中，減沙效果相對穩(wěn)定。小流域地表水土保持工程施工坡地的坡度為15°時，當降雨強度在60mm/h至90mm/h的增長過程中，對比平整水土保持工程施工坡地，人工耕作減沙效果明顯，而機械鋤耕和等高掏挖減沙效益無明顯變化；當降雨強度從90mm/h增加到120mm/h時，3個小流域地表水土保持工程措施的減沙量較低，不能有效抑制坡面的產沙量，反而提升了坡面的產沙量。

以上分析結果表明，隨著降雨強度的增大，等高掏挖、機械鋤耕和等高耕作等小流域地表水土保持工程應用措施的坡地平均降雨量和平均產沙量呈增大趨勢，但不同小流域地表水土保持工程應用措施的平均降雨量和平均產沙量對降雨強度的響應特征呈現出多元化變化特征。

3 .結語

此文對降雨強度對小流域地表水土保持工程的影響進行了深入研究，采用實驗室人工降雨法模擬小流域地表的生態(tài)環(huán)境，制定合適的研究方法，Hydrus-1D模型去除無關變量對實驗結果的干擾，并結合相關算法進行準確的數據分析，選擇平整水土保持工程施工坡地為對照組，利用針對3種常見的應用措施進行降雨量分析、產沙量分析、減沙效益分析以及減流效益分析等，實驗結果表明，降雨強度對水土保持工程的影響較大，降雨量和產沙量的變化趨勢與降雨強度的變化趨勢呈正相關，減沙效益以及減流效益的變化規(guī)律表征存在差異。

Hydrus-1D降雨量模型有良好的物理機制以及優(yōu)秀的數學算法，對太湖流域山區(qū)丘陵區(qū)土壤溶質流失過程的模擬效果較好，在水文預報以及水污染預報方面有著很好的應用前景。由于野外實地測量飽和水力傳到度以及擴散系數難度較大，將土壤帶回實驗室測量改變了土層本身的結構，對結果影響較大，所以采用反演法得出飽和水力傳到度以及自由擴散系數。暴雨徑流過程是表層土壤溶質流出的主要原因，雨強越大，土壤中溶質流出越多。當雨強增加到一定程度時，從土壤中流出的溶質將隨雨強的增加僅有微量增加。由于次降雨過程時間較短，在模擬計算時沒有考慮蒸散發(fā)的影響以及根系對水分與溶質的交換等。當降雨時間較長時，需考慮水文、氣象、植被以及微生物對土壤溶質的影響。

此文采用的研究方法對于水土治理領域具有較高的借鑒價值，在水土保持工程的施工具有一定的積極作用，但研究方法針對地表溶質的轉移情況不夠深入，因此針對地表的動態(tài)變化還需進一步地優(yōu)化?！?/p>